Es gibt verschiedene Methoden, um den Transport von Nährstoffen und Ionen in biologischen Geweben zu untersuchen. Eine klassische Methode der Transportphysiologie ist hierbei die Ussingkammer-Technik, wodurch es möglich ist, aktive Transportprozesse durch ein Gewebe zu messen. Der Däne Hans Henriksen Ussing erfand diese Technik in den 1940er Jahren (Levi and Ussing, 1949) und beschrieb als Erster den aktiven Natriumtransport durch die Haut von Fröschen. Heutzutage wird diese Technik gerne in Darmgewebe oder bei Zellkulturen verwendet.

Der Aufbau ist hierbei recht simpel (Siehe Abbildung). Die Kammer besteht aus zwei Hälften, die durch ein Stück Gewebe vollständig getrennt wird. Um das Gewebe am Leben zu erhalten, wird es mit einer nährstoffreichen gewärmten Lösung (z.B. Ringer) und Sauerstoff versorgt. Zur Stabilisierung des pH-Wertes befindet sich in der Lösung häufig Bikarbonat (HCO3) und wird zusätzlich mit Kohlenstoffdioxid (CO2) begast.

Gewebezellen sind polarisiert. Dies bedeutet, dass Zellen in zwei verschiedene Pole (apikal = lat. für Spitze und basal = lat. für die Basis bildend) unterteilt werden. Jedes dieser Pole hat strukturelle und funktionelle Unterschiede. Ein sehr gutes Beispiel ist hierbei das Darmgewebe. Die zur Darminnere zugewandte Seite (apikal), welche Nährstoffe aufnehmen soll, besitzt den sogenannten Bürstensaum (Mikrovilli). Die basale Seite schleust hingegen Nährstoffe aus der Zelle heraus und grenzt an Bindegewebe und die Darmmuskulatur an. Da die Aufnahme vieler Nährstoffe auch mit einer Ladungsverschiebung einhergeht, entsteht hierbei eine messbare Spannung (U) von wenigen Millivolt. Diese kann mithilfe eines Voltmeters von der Ussingkammer gemessen werden. Um auch die Stromstärke (I) zu bestimmen, wird durch eine Gleichstromquelle (Batterie) ein Gegenstrom erzeugt, wodurch auch eine Gegenspannung entsteht, die identisch mit der gemessenen Spannung des Gewebes ist. Wenn der Strom nach der Zugabe eines Stoffes ansteigt, kann dies beispielsweise eine vermehrte Resorption von positiv geladenen Ionen (z.B. Natrium) bedeuten. Anschließend kann der Widerstand (R) des Gewebes nach dem Ohmschen Gesetz (R=U/I) ermittelt werden, der angibt wie durchlässig ein Gewebe insgesamt ist. Das Dünndarmgewebe hat beispielsweise einen viel geringeren Widerstand als Dickdarmgewebe und der Pansen wiederum hat einen noch höheren Widerstand als der Dickdarm.

Auch wenn der Aufbau der Ussingkammer relativ einfach ist, so ist der Aufwand dieser Methode doch beträchtlich. Je nach Versuchsdurchführung werden hierbei dauerhaft 2-4 Personen für einen gesamten Tag benötigt. Doch der Aufwand lohnt sich, denn letztlich kann oftmals sehr genau bestimmt werden, wie gut die Nährstoffe oder Ionen transportiert werden. Dies kann auf verschiedene Art und Weise durchgeführt werden. So können durch den Einsatz spezieller Blocker gezielt Transportproteine oder Enzyme ausgeschaltet werden, wodurch diese nicht mehr am vermuteten Mechanismus beitragen können. Des Weiteren können Nährstoffe, wie Aminosäuren, oder auch Ionen radioaktiv markiert werden. Durch diese Markierung kann anschließend genau bestimmt werden, wieviel des radioaktivmarkierten Stoffes unter verschiedenen Bedingungen von einer Seite zur anderen transportiert wurde. Zur Messung wird hierbei etwas Kammerlösung abgenommen und in einem Szintillationszähler die Intensität der Strahlung bestimmt. Diese Versuche dürfen jedoch nur unter strengsten Auflagen in speziellen Laborräumen und Überwachung des Personals stattfinden. Die «Strahlenbelastung» der Forscher wird hierbei z.B. dauerhaft durch eine Plakette (Filmdosimeter) am Kittel gemessen. Die Strahlenbelastung beim regelmäßigen Fliegen oder das Wohnen in einem Lehmhaus ist hierbei deutlich höher als der erlaubte Höchstgrenzwert für die Forscher.

 

Autor: David Manneck

Literatur:

Levi H, Ussing H (1949) Resting Potential and Ion Movements in the Frog Skin. Nature 164, 928–929